Естественные и искусственные радионуклиды в атмосфере Земли

Охрана окружающей среды
Естественные и искусственные
радионуклиды в атмосфере Земли
3. Яворовски*
Воздействие ядерной энер^тикиад окружающую
среду происходит главным образом за сяет выб^юса
радионуклидов в атмосферу. Выбросы атомных
станций можно оценить путем,сравненияих сестертвенными выбросами и с выделениями других антропогенных источников, таких как производство и
испытание ядерного оружия и угольный топливный
цикл.
Сравнение такого типа является упрощенным
приближением к оценке воздействия на окружающую среду, в отличие от расчетов поглощенных
тканями организма человека доз и ожидаемых доз
для будущих поколений, которые, как полагают,
будут долго испытывать воздействие настоящей
деятельности человека [1]. Эти расчеты ведутся со
многими произвольными допущениями и являются
очень приблизительными, так как экологические,
геологические, демографические условия на Земле
в будущие тысячелетия представить очень трудно.
Оценка энергии, излучаемой в окружающую среду
созданными человеком источниками, в настоящее
время может оказаться более полезной для понимания относительного воздействия, чем такие долгосрочные прогнозы.
Действительно, по результатам сравнений, приведенных в этой статье, видно, что выброс 323 Rn при
эксплуатации атомных станций может оказывать
большее воздействие на окружающую среду, чем
это дают обычные расчеты ожидаемой дозы. Кажется, что этот нуклид заслуживает большего внимания исследователей, чем это было до сих пор,
когда в обычных расчетах основное внимание
уделялось выбросам 1 4 С, являющимся, как полагают, основным фактором воздействия ядерной
энергетики на окружающую среду. Сравнительные
данные, приведенные в этой статье, вновь отчетливо
показывают, что воздействие на окружающую среду ядерной энергетики составляет в настоящее время очень небольшую долю от воздействия естественных источников радиации.
При расчетах поглощенней радиационной дозы
нельзя ограничиваться исключительно людьми. В
наши дни воздействие деятельности человека на окружающую среду достигло глобальных размеров:
каждая капля дождя, каждое растение и животное
на землеив море содержат в себе следы стабильных
или радиоактивных веществ, выбрасываемых в ок* Г-и Яворовски - руководитель Отдела радиационной
гигиены Центральной лаборатории радиологической защиты и член Национального совета по защите окружающей
среды, Варшава, Польша.
38
ружающую <?реду. Человек обычно подвергается
вредному воздействию этих выбросов миого меньше других видов организмов, расположенных ниже
в экологической цепочке передачи тащи и энергии
в биосфере. Антропоцентрическое представление о
том, что при поддержании радиационной дозы на
безопасном для человеческого организма уровне
другие виды живых организмов также не подвергаются опасности, просто игнорирует воздействие,
которому подвергаются в действительности эти
виды. Это было практичным и, возможно, этически
приемлемым на ранних стадиях промышленного
развития. Но в настоящее время, когда воздействие
этого развития на окружающую среду имеет планетарный масштаб, нашу ответственность или, по
крайней мере, оценки следует распространять на
все живые организмы биосферы.
Для сравнения воздействия на окружающую среду радиоактивных выделений трех антропогенных
и естественных источников я произвольно выбрал
3
Н, 14 С, 137Cs, 3 3 8 U, 3 3 S U, 336 Ra, 3 3 3 Rn, 310 РЬ и
339
Pu, так как они являются радионуклидами, создающими большую часть радиационной дозы, получаемой населением мира. Оценки годовых поступлений этих нуклидов приводятся в табл. 1.
Энергия, которая может быть передана в окружающую среду от одного распада или от единицы активности, отличается по величине для различных
нуклидов на порядки. Для оценки относительного
воздействия интересно вычислить произведение
энергии радиации каждого отдельного нуклида и
поступления его активности в атмосферу земного
шара. Величины этих произведений, т.е. годовые
поступления радиационной энергии, вычисленные
для различных источников и нуклидов, приводятся
в табл. 2.
Естественные исгошики
Годовое выделение 3 Н и 14 С в атмосферу земного шара взято из публикации Научного комитета
ООН по действию атомной радиации (НКДАР ООН)
[2]. Средние поступления 235 U, 3 3 8 U, 3 3 6 Ra и " ° Р Ь
были определены по их концентрации, накопленной
в течение последних трех десятилетий во льдах девяти ледников, расположенных в отдаленных географических районах в северном и южном полушариях [3]. Поступление 333 Rn было определено, как
среднее поступление по данным нескольких стран
[4,5].
БЮЛЛЕТЕНЬ МАГАТЭ, ТОМ 24, И» 2
Охрана окружающей среды
Таблица 1. Гоцовое поступленне редиоективмоетм • етмосфер1i земного uiepe (Ки)
Естественные источники
Ядерное оружие
1945-1981 гг.
Ядерная энергетика
1981 г.
Сжигание угля
1980 г.
***Йп
*н
*Н
*Н
1,6x10* [10]
*н
4x10*
***Rn
14
С
3,4x10* [10]
**'Rn
"•РЬ
***U
***Ra
*'*РЬ
**«йч
*»»о
»*ТС*
9x10* [4.6]
2x10*,
4,9x10* |
>4С.
***Rn
**»Ри
3^x10*
6,6x10'
4x10*
1,9x10*
d
d
**»Ри
**»PU
1.9x10* а [6]
7,6x10» b
7x10* а [61
1,7x10* a [б]
1,1x10* Ь
6x10* а [6]
1x10* с [21
13
е [2]
5,4
b
1,7x10-' а
1,6x10"' а
8,2x10-* Ь
3,6x10-* Ь
*»°РЬ
»»»0
»»*и
»*»и
**»Ra
*»»0 г.ию-'ь
[2]
»»РЪ 2x10*
»**и
*»«U
?ТС»
2.3Х104
6,6x10*
3,3x10'
65
16
1.7
[1,2]
"•Ra 1.4
***U 1,5x10"'
**»Ри 9,4x10'* [Г, 2]
а — испытания оружия 1945—1980 гг.
d — ниже детектируемого предела
Ь — производство оружия 1972—1981 гг.
е — рассеяно в стратосфере объектами космической техники
с — аварии с оружием
Источники информации для каждой записи приводятся в скобках. Там, где не указаны ссылки, значения получены в этой
статье.
Таблице 2. Среднее годовое поступление редиецион»юй энергии в етмосферу жмного шара (Дж/с)
Естественные источники
Ядерное оружие
1945-1981 гг.
Ядерная энергетика
1981г.
Сжигание угля
1980 г.
*"Йп
*Н
*Н'
>* Т С»
*»*Йп
***Ри
***Йп 5,3x104
1,6x10*
'Н
»»»РЬ 8
5
»«с
3
**'Ra 2,2x10-'
»»»и
1,2x10"'
' " с * 1,1x10"*
*»*Ри 2,9x10'4
***Rn
* 1в РЬ
"*U
««Ra
1,2x10*
а»»РЬ 1,9x10*
**'Йа 1,1x10*
*Н'
2x10*
ааеу 1.6x10*
»«с
3,5x101
а» г ц 5,3
»"С» d
»»»Р|) d
»4CV
**»Pli
***Р«1
*»"РЬ
***и
**'Re
»«и
»»«u
2,7x104 а
8x10* b
4,5x10* а
1.5x10* Ь
1,8x10* а
1,6x10* а
3
с
4x10*1 е
2,1х10"'Ь
б^хЮ-'е
5.8х10-*Ь
3i^x10"*b
Б^хЮ-'а
а - испытания оружия 1945-1980 гг.
b - производство оружия 1972-1981 гг.
с — аверии с оружием
Ядерное оружие
Испытания
Полный выброс 3 Н, 1 4 С, 13T Cs и 2 3 9 Ри в атмосферу при воздушных испытаниях оружия между
1945 и 1980 гг. был определен недавно НКДАР ООН
[6]. Эти выбросы, усредненные к а к годовые
поступления, приведены в табл. 1. Однако НКДАР
ООН не определил поступление 2 3 5 U и 2 3 8 U щ и испытании оружия.
Я предположил, что от 423 проведенных в прошлом взрывов в атмосфере с общим выходом энергии в тротиловом эквиваленте 545,4 Мт [6] 74 %
БЮЛЛЕТЕНЬ МАГАТЭ,ТОМ 24, Г 2
»>*u
3x10*
2,6x10'
1,3x10*
1x10'
4,5x10"'
\
d - ниже детектируемого предела
е - рассеяно в стратосфере объектами космической техники
имели выход энергии менее 1 Мт и 26 % - более
1 Мт [7]. Я также предположил, что в половине
взрывов использовалось по 20 кг 2 3 S U на заряд и
что средний коэффициент сгорания во взрывах
меньше 1 Мт был 15 % и 80 % - в о взрывах больше
1 Мт. При этих предположениях распространение
23s
U в атмосфере за период между 1945 и 1980 гг.
оценивается в 2800 к г , т.е. 1,7x10" 1 Ки в год.
Для оценки распространения 2 3 8 U я предположил, что в 110 взрывах более 1 Мт [7], которые
дают до 92 % (502 Мт) общего выхода энергии, половина выхода была от деления 2 3 8 U с коэффициентом сгорания 40 % и что при выделении энергии
39
Охрана окружающей среды
в 1 Мт делится 56 кг 2 3 8 U. С учетом этого распространения 2 3 8 U в атмосфере за период между 1945 и
1980 IT. оценивается в 16 900 кг, тл» 1^6x10"1 Каъ
год.
Производство
Эйзенбад и другие [8] сообщили, ^го'й 1980 г.
радиационная доза, полученная населением в севершм полушарии от производства ядерного оружия,
была в 2,5 раза меньшедозыот ядерных испытаний.
На основании этого можно сделать вывей, чго среднее годовое поступление 3 Н от этого источника было в период между 1945 и 1980 гг. на уровне
7,6x10' Кн.
За исключением этого, я не смог найти в литературе какой-либо информации по глобальным выбросам радионуклиде» от производства оружия. До некоторой степени пробные оценки этих выбросов,
основанные ш данных SIPRI [9] о производстве
ядерного оружия, представлены здесь. За период
между 1972 и 1981 гг. двумя сверхдержавами било
произведено 90 699 ядерных боеголовок: 72 470
боеголовок с выходом меньше 1 Мт и 18 229 больше 1 Мт. В этой оценке я не учитываю вклад
других стран. Я предположил, что каждая боеголовка содержит 20 кг 239 Ри. При коэффициенте превращения 0,5 это означает, что для производства плутония было использовано 3600 т естественного урана. Я также предположил, что в боеголовках больше 1 Мт с общим выходом 71 575 Мт половинавыхода происходит за счет деления 2 9 8 У, коэффициент сгорания которого составляет 40 %. Это соответствует 5040 т естественного урана. Следовательно, средняя годовая поставка естественного урана
для производства боеголовок за период между
1972'и 1981 гг. была по крайней мере 864 т. Из данных НКДАР ООН [10] относительно выбросов радионуклидов во время процессов добыч», переработки и обогащения можно сделать вывод, что
производство такого количества урана вводит в
атмосферу каждый год 6,8x10 s Ки 238 U,
3,5x10"* Ки 2 2 6 Ra, 9,1x103 Ки 2 2 2 RnH 2Дх10Г* Ки
235
U. При выделеши частичек было введено только
3,0х10г* Ки
а его результирующая активность от выделения 2 2 2 Rn бь!ла 5 Кив год.
Аварии с ядерным оружием и с космической техникой
Изучение нескольких аварий, происшедших с
ядерным оружием и при входе объектов космической техники в атмосферу, показывает, что в атмосфере от этих источников распространилось небольшое количество " 9 Р и [2].
В 1981 г. установленные во всем мире ядерные
мощйосм составйлн 144,4 ГВт (э) [11], и с предполагаемым коэффициентом нагрузки 0,6 производство энергии было равно 86,6 ГВт-год. Следуя
дшё&км НКДАР ООН [10], я предположил, что для
выработки энергии в 1 ГВхчгод требуется около
40
200 т естественного урана, т.е. 1,7x104 т для электроэнерпш*»ыработашюйв 1981 г. ..
Цифры, приведенные в табл. 1, рвссштаны по
данным ШЩАР 0 ( Ж [10] и характеризуют выделення в атмосферу, связанные с добычей, переработкой * обогащением урана, я ' Соответствуют
1,7х104 Т урена, использованного в 1981 г. Кроме
того, учтена радиоактивность 25 Ки jroPfe, связанная с распадом газообразного 2 2 2 Щ . Выделение в
атмосферу 3 Н и 1 4 С из энергетических реакторов
и перерабатывающих заводов также получено на
оенгижтш данных НКДАР ООН, как и выделения
" ' С в и ^ ' Р И [1,2,10].
Сжиганнеугх*
В 1980 г. било добыто 3900 млн. т угля [12], из
них 47 % — за пределами Европы и Северной Америки. В различных районах ьшра сжигается различное количество угля при разной эффективности
приборов контроля выделений. В Соединенных
Штатах среднее выделение частиц в атмосферу, как
сообщалось, было по величине на порядок выше,
чем рекомендованные нормы выделений для выработки энергии, которые в зависимости от содержания золы в угле колебпются от ОД до 1,0 г частиц на
1 кг угля [13*|. Эффективность приборов контроля
выделений зависит от размера частици обычно ниже
для частиц меньшего размера. Эффективность электростатических фильтров-осадителей во всем диапазоне размера частиц различна для разных типов, и
в Соединенных Штатах,' как сообщалось, на более
старых установках была на уровне 70 %, в то время
как на новых установках она может достигать
99,8 % [14]. В других странах, использующих угли
с более высоким содержанием золы, от 15 до 40 %
[15, 16, 17], и при меньшей эффективности приборов контроля выделения от энергетических станций
могут быт» на таком высоком уровне, как 20 35 г/кг [15,18}.
Тепловые электростанции выделяют меньше частиц, чем другие промышленные и бытовые потребители угля. Сообщалось, что выделешм при сжигании угля в бытовик целях в три раз* выше, чем на
тепловых электростанциях [15]. В 1976 г. в Соединенных Штатах только . 2 % угля было использовано для бытового обогрева [19], тогда как в Польше эта цифра составила 15 % [20]. Было бы трудно
выяснить ситуацию во всех странах, добывающих и
потребляющих уголь.
Для оценки глобального выделения радионуклидов при сжигании угля я предположил, что 50 %
угля, добытого в 1980 г., т.е. 1,93x10® т, имеет
содержание золы Ю % и сжигается с низким коэффициентом выделения частиц 3,3 г/кг (1], т.е.
0,33 % первоначальной массы угля или 6,44x10е т
было выброшено в ап*осферу в виде летучей золы.
Япредположил, что другая половина Добытого угля
имела содержание золы 20 % и сжигйм£с* ё'коэффициентом выделения частиц W t f v s f i M . % первоначальной массы усля или S$2xi*d* т попало в атмосферу в виде летучйй эолы. В итоге от сжигания
БЮЛЛЕТЕНЬ МАГАТЭ, ТОМ 24, Я* 2
Охрана окружающей среды
угля в атмосферу земного шара в 1980 г. было
выброшено 6,5х107 т летучей золы.
Следуя данным НКДАР ООН 1977 г. [1], я предположил, что в уходящей летучей золе средняя концентрация 238 U составляет 5 пКи/г,226 Ra - 1 пКи/г
и
РЬ — 10 пКи/г. Это соответствует глобальному
поступлению этих нуклидов в количестве 325 Ки
238
U, 65 Ки 226 Ra и 650 Ки 210 РЬ. Активность
235
U, связанная с поступлением 238 U и рассчитанная по концентрации активностей этих изотопов в
естественном уране, составляет 16 Ки. В дополнение к поступлению 210 РЬ, связанного с частицами,
этот нуклид образуется в атмосфере из газообразного материнского 222 Ra, выделяющегося во время
сжигания и добычи угля. В угле 222 Rn находится в
радиоактивном равновесии с 226 Ra, средняя концентрация которого составляет 0,54 пКи/г [10]. Будучи благородным газом, 222 Rn не задерживается
приборами контроля частиц. В 1980 г. с полным количеством сожженного угля в атмосферу попало
около 2100 Ки 2 2 2 Rn. У нас нет данных относительно выделения 222 Rn из угольных шахт, однако это
можно оценить сравнением с известным средним
выделением из урановых рудников, которое составляет 5,4х10"3 Ки на тонну руды с содержанием
0,2 % [10]. Это выделение связано с концентрацией активности 222 Rn в руде величиной 540 пКи/г
[10], т.е. приблизительно в 1000 раз более высокой,
чем в угле. Используя этот коэффициент, можно
установить, что при общем количестве добытого в
1980 г. угля в атмосферу выделилось около
21 000 Ки 222 Rn и полное выделение 222 Rn из угля
было 23 100 Ки. Активность 210 РЬ, которая образовалась от этого поступления 222 Rn, составляет около 11 Ки.
Расчеты ожидаемой дозы вводят в заблуждение?
Как видно из табл. 1, естественное годовое поступление0 активности радионуклидов в атмосферу
земного шара по величине на несколько порядков
выше соответствующих поступлений от трех рассмотренных антропогенных источников, за исключением нуклидов 3 Н, 14 С, 137Cs и 239 Ри. Средние
поступления этих четырех нуклидов от производства и испытания ядерного оружия за период с 1945
по 1981 гг. доминируют над поступлениями от
других источников и по величине были на 2-6 порядков выше, чем поступления от ядерной энергетики в 1981 г.
Естественное поступление активности 222 Rn является наибольшим из средних поступлений в атмосферу всех радионуклидов от всех источников.
Излучение этого радионуклида и его дочерних продуктов распада вносит наибольший вклад в естественную радиационную дозу, получаемую населением
Земли [21]. Следовательно, 222 Rn может служить
удобной основой для сравнения относительной важности отдельных поступлений. Поступление 222 Rn
от ядерной энергетики в 1981 г. более, чем в 2000
раз было меньше естественных поступлений, а по-
БЮЛЛЕТЕНЬ МАГАТЭ. TOM 24, N* 2
ступление от ядерного оружия было меньше более,
чем в 80 000 раз. Интересно отметить (см. табл. 1),
что в 1981 г. поступление 222 Rn от сжигания и добыч! угля было в два раза выше, чем от производства ядерного оружия.
Поступления других представителей семейства
U и 2 3 S U от сжигания угля превысили поступления от ядерной энергетики и ядерного оружия.
238
Анализ энергии радиации, излучаемой радионуклидами, выброшенными в атмосферу, и приведенной в убывающем порядке в табл. 2, может помочь
в относительной оценке риска для окружающей
среды больше, чем сравнение поступлений радиоактивности. Энергия, излучаемая при распаде выброшенных радионуклидов, была рассчитана по данным, приведенным в [22].
Как видно из табл. 2, среди выделений энергии
от естественных источников доминирует 322 Rn, выделение энергии которым по величине на 4-5 порядков больше, чем от всех рассмотренных антропогенных источников.
Только в случае ядерного оружия 222 Rn не является основным вкладчиком в выделение радиационной энергии от поступлений в атмосферу радионуклидов, занимая третье место после Н и 137Cs.
Как в случае атомной энергетики, так и в случае
сжигания угля выделение энергии в окружающую
среду 222 Rn по величине на 2 порядка выше выделения 3 Н и 210 РЬ. Следовательно, 222 Rn заслуживает большего интереса и исследования, чем это
может показаться по оценкам, основанным на расчетах ожидаемой дозы, которые показывают, что воздействие производства атомной энергии вследствие
выброса С должно быть значительно больше, чем
от других радионуклидов [1]. Как можно видеть в
табл. 2, текущее радиационное воздействие на окружающую среду ядерной энергетики представляет
очень небольшую долю от естественного воздействия, и не представляется, возможным, чтобы в обозримом будущем поступление радионуклидов в атмосферу земного шара от ядерной энергетики приблизилось бы к естественным уровням.
Сравнение активности и радиационной энергии,
выделяемых в окружающую среду земного шара
четырьмя источниками, рисует перспективу, отличающуюся от результатов сравнения, основанного
на более антропоцентрической и менее бережливой
концепции поглощенной тканями дозы или ожидаемой дозы. Я надеюсь, что осознание радиационного риска будет полезным для о бще ств енности и
принимающих решения лиц.
Литература
[ 1 ] UNSCEA R Sources and effectt of Ionizing radiation
United Nations, New York (1977).
(2] UNSCEAR Environmental behaviour and dosimetry of
radionuclides Doc. A/Ac.82/R.407 United Nations General
Assembly, (1981).
41
Охрана окружающей с рады
[3] Z. Jaworowtki, М. Bysiek, t . Kownacka, Geochim.
Cosmochim. Acta 45, 2185-2199 (19811.
[4] Z. Jaworowski Atomic Energy Review 7 , 3 - 4 5 (1969).
[5] M.H. Wilkening, W.E. Clements, D. Stanley . Proc. Symp.
The Natural Radiation Environment II, Houston, Texas, US
E R D A CONF-720805-P2, 717-730(1972».
[6] UNSCEAR Exposures resulting from nuclear explosions
Document A/AC.82/R.399, United Nations General Assembly
(1981».
|7J M. Bysiek, Z. Jaworowski List of nuclear explosions In
1945-1978 Report CLOR-113/D, Warsaw (1979).
(8) M. Elsenbud, B. Bannet, R.E. Blanco at el., Proc. Symp.
Behaviour of Tritium in the Environment pp. 586-588, IAEA,
Vienna (1979).
[9] SIPRI World armaments and dlsarmament-SIPRI
yearbook 1981 Taylor and Francis Ltd, London (1981).
[10] UNSCEAR Exposure resulting from nuclear power
production Doc. A/AC.82/R 400, United Nations General
Assembly (1981).
[11] Power reactors in Member States (1981 edition). IAEA,
Vienna (1981).
[12] Monthly Bulletin of Statistics 1981. United Nations,
New York .(1981).
[13] J.B. Me Bride, R.E. Moore. J.P. Withenpoon, R.E. Stance
Science 202,1045-1060(1978).
[14] a J . White J. Air Pollut Contr. As». 25,102-107 (1975).
[15] J. Juda, S. Chrutfciel Protection of atmospbertoair (in
Polish), Wydewnictwe Naukowo-Techniczne, Warsaw (1974).
[16] A.W. Cameron The effects of the public health of
perticule». emissions from modern coal-fired power stations
Dissertation for Master of Public Health Degree, UniWsity
of Leed* (1980).
[17] L.A. Clyin. V.A. Knizhnikov.R.M. Barkhudarov,
R.M. Ataxekhin, B.K. Borisov, N.Ja. Novikov», Proc. Natural
Radiation Environment III pp.1446-1486, Houston, Texas
(1980).
[1Щ| L.A. llyin, V.A. Kntahnikov, R.M. Barkhudarov Proc. of
4th International Congress of IRPA pp. 189-193, №Hs (1977).
[19] US Oepertmant of Interior Mineral Facts and Problems
Bureau of Mines Bulletin 667. Washington DC (1976).
[20] Gtowny Urzfd Statystyczny. Statistical Almanac 1979
(in Polish), Warsaw (1979).
[ 21 ] UNSCEAR exposures to natural radiation sources Doc.
A/AC.82/R 396, United Nations General Assembly (1981).
[22] P. Strominger, J.M. Hollander, G.T. Seaborg Rev. Mod.
Phys. 30, 585-904 (1958).
.
e
42
БЮЛЛЕТЕНЬ МАГАТЭ, ТОМ 24. IP 2